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基于磁性氧化物的磁光等离子光学材料及器件研究

2020-12-02阅读(289)

基于磁性氧化物的磁光等离子光学材料及器件研究

论文摘要

磁光表面等离子激元（Magnetoplasmon,MP）研究的是表面等离子共振（SPR）与磁光材料相互作用现象的交叉领域。通过将磁性材料引入表面等离激元共振结构,可以实现磁场对表面等离子共振波矢的调控、表面等离子共振增强磁光效应等新的光学现象。基于MP现象的相关材料和器件在生物传感、磁场传感等领域具有重要的应用。传统的MP研究的材料体系主要是基于铁磁金属（Fe、Co和Ni）,以及铁磁金属与贵金属（Au,Ag）的多层薄膜结构。然而,基于纯金属材料的MP结构中由于支持的光学模式较为单一,限制了器件结构和模式的调控机制;另一方面铁磁金属材料本征的高光学损耗限制了器件在传感器灵敏度、损耗等性能方面的提升。这些难题已成为制约MP结构发展的瓶颈。基于上述研究背景,我们采用透明的介质磁性氧化物（钇铁石榴石薄膜YIG及掺杂YIG薄膜）取代高损耗铁磁金属,构建了一系列新型MP结构。在机理上,通过引入介质波导模式,腔体模式,介质谐振模式等实现在电磁调控机理上的创新。基于相关结构实现了亚波长结构中的强电磁非互易性,发展了磁光非互易超表面器件;在器件应用上,利用磁性氧化物很低的光学损耗,显著提高了器件传感灵敏度等关键性能指标,并实现了高优值的化学生物传感。具体的研究内容包括:1.利用Ag在1000 nm附近的低损耗和Ce:YIG在1000 nm附近高磁光效应,理论提出了Ag/Ce:YIG的结构。通过棱镜耦合的方式激发出Ag/Ce:YIG界面的表面等离子共振模式,实现对Ce:YIG横向磁光克尔效应的增强。最后通过优化结构尺寸,实现了高灵敏折射率传感器的理论设计。2.理论设计并实验制备了TiN/（SiO2/YIG/Ce:YIG）/Au的金属-绝缘体-金属结构,利用磁光绝缘层的波导共振模式与Au/空气界面的表面等离子共振模式耦合,实现了高Q值的非对称Fano线型。再以横向磁光克尔效应作为传感信号,实现了超高优值的折射率传感器。最后,实验制备该器件,实验验证了其在非标记生物传感上的应用,其检测极限（LOD）较传统SPR器件降低了16倍。3.发展了TiN/（SiO2/YIG/Ce:YIG）/Au周期表面等离激元结构在动态手性操控中的应用。利用孔洞结构中的局域共振模式,实现了结构磁光效应的显著提高。基于此模式,我们将其应用于磁场调控孔洞结构的外禀手性,在近红外频段首次实现了磁场对结构远场手性的反转调控,比目前文献报道的手性调控幅度提高了一个数量级。4.将MP结构扩展到太赫兹频段,理论提出了Au光栅/石墨烯/高阻硅的结构,用Au光栅的表面等离子共振模式和高阻硅中的波导模式耦合,实现了该结构在太赫兹频段的同时的透过率增强和石墨烯磁光效应的增强。通过器件结构的设计,可以在整个太赫兹频段实现石墨烯磁光效应和透过率的同时增强,这一结构在太赫兹频段法拉第旋光器上有潜在应用。5.提出了基于磁光效应的全介质非互易超表面,完全取代了MP结构中的高损耗金属材料,基于全介质共振实现了电磁波的单向透射、相位非互易调控等功能。基于广义斯涅耳定律,实现了结构任意远场特征的非互易调控,称为“广义电磁非互易性”。实验上采用微波频段高剩磁、高饱和磁化强度的Ba六角铁氧体材料,成功制备了自偏置的磁光非互易超表面,验证了理论的正确性,并解决了相关器件需要磁铁偏置的挑战。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 表面等离子共振（SPR）
  •     1.1.1 传播型表面等离子共振
  •     1.1.2 局域型表面等离子共振
  •   1.2 磁光表面等离子共振（MOSPR）
  •     1.2.1 贵金属结构中的MOSPR
  •     1.2.2 铁磁金属结构中的MOSPR
  •     1.2.3 贵金属与铁磁金属混合结构中的MOSPR
  •     1.2.4 贵金属与铁磁介质混合结构中的MOSPR
  •     1.2.5 MOSPR在生物传感中的应用
  •   1.3 磁光全介质非互易超表面
  •   1.4 本文的主要内容与创新
  •   1.5 本论文的结构安排
  • 第二章 实验与理论方法
  •   2.1 磁光表面等离子共振理论
  •     2.1.1 磁光效应理论
  •     2.1.2 表面等离子共振理论
  •     2.1.3 磁光表面等离子共振理论
  •   2.2 磁光薄膜和MOSPR结构制备方法
  •     2.2.1 薄膜生长方法
  •     2.2.2 纳米结构加工方法
  •   2.3 磁光薄膜结构和性能表征方法
  •     2.3.1 X射线衍射
  •     2.3.2 磁滞回线表征
  •     2.3.3 棱镜耦合衰减全反射光谱
  •     2.3.4 法拉第旋光光谱
  •     2.3.5 基于光谱椭偏仪的薄膜光学常数表征
  •   2.4 MOSPR结构理论计算和模拟方法
  •     2.4.1 COMSOL数值模拟
  •     2.4.2 磁光4×4转移矩阵法
  •     2.4.3 全介质谐振与多极分解
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 传播型磁光表面等离子激元结构
  •   3.1 前言
  •   3.2 Ag/Ce:YIG磁光表面等离子共振结构
  •     3.2.1 Ag/Ce:YIG结构和工作原理
  •     3.2.2 Ag/Ce:YIG结构的传感优值分析
  •     3.2.3 Ag/Ce:YIG结构数值与解析计算比较
  •   3.3 基于Fano共振的Au/Ce:YIG/TiN MOSPR结构
  •     3.3.1 Au/Ce:YIG/TiN结构和工作原理
  •     3.3.2 Au/Ce:YIG/TiN结构的模式分析
  •     3.3.3 Au/Ce:YIG/TiN结构的理论优值优化
  •     3.3.4 Au/Ce:YIG/TiN结构的实验制备
  •     3.3.5 Au/Ce:YIG/TiN结构的传感表征
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 局域型磁光表面等离子共振结构
  •   4.1 前言
  •   4.2 基于局域共振模式的磁场可调手性结构
  •     4.2.1 Au/Ce:YIG/TiN孔洞结构的设计和制备
  •     4.2.2 Au/Ce:YIG/TiN孔洞结构的模式和外禀手性分析
  •     4.2.3 Au/Ce:YIG/TiN孔洞结构的磁控外禀手性设计和表征
  •     4.2.4 Au/Ce:YIG/TiN孔洞结构的磁场调控手性成像
  •   4.3 铁电氧化铪二阶非线性超表面研究
  • 2/TiN光栅结构的设计和工作原理'>    4.3.1 Au/Y:HfO2/TiN光栅结构的设计和工作原理
  • 2/TiN光栅结构的线性光学响应'>    4.3.2 Au/Y:HfO2/TiN光栅结构的线性光学响应
  • 2/TiN光栅结构的二阶非线性光学响应'>    4.3.3 Au/Y:HfO2/TiN光栅结构的二阶非线性光学响应
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 基于新材料与新结构的磁光表面等离子器件
  •   5.1 前言
  •   5.2 基于钡六角铁氧体介质谐振效应的非互易超表面
  •     5.2.1 钡六角铁氧体材料磁导率分析
  •     5.2.2 钡六角铁氧体全介质结构设计和理论分析
  •     5.2.3 钡六角铁氧体全介质结构实验制备和测试
  •   5.3 Au/Graphene光栅结构太赫兹频段磁光法拉第旋光器
  •     5.3.1 Au/Graphene光栅结构的设计
  •     5.3.2 Au/Graphene光栅结构的磁光优值与结构尺寸相关性
  •     5.3.3 Au/Graphene光栅结构的磁光优值与费米能级相关性
  •     5.3.4 Au/Graphene光栅结构的工作机理分析
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 全文的总结与展望
  •   6.1 全文总结
  •   6.2 后续工作与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间取得的成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 秦俊

    导师: 毕磊

    关键词: 磁光表面等离子共振,磁光效应,全介质,折射率传感

    来源: 电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 物理学,材料科学

    单位: 电子科技大学

    分类号: TB34;O53

    DOI: 10.27005/d.cnki.gdzku.2019.000027

    总页数: 112

    文件大小: 7204K

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